基于嵌入式Web的HART仪表远程控制系统

吴贞贞，宁永海

（河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471003）

基于嵌入式Web的HART仪表远程控制系统

吴贞贞，宁永海

（河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471003）

为解决有线HART仪表在恶劣环境中远程传输时易受影响、成本高等问题，结合嵌入式linux系统在远程工业控制中的应用，提出了一种基于嵌入式Web的HART仪表远程控制系统。采用S3C2440处理器和DM9000网络芯片，在嵌入式系统上移植Boa Web服务器，并运用CGI技术实现动态网页控制。利用该控制系统，客户只需在室内通过浏览器即可对HART仪表进行远程监控，且不需要专门的组态软件。

HART，嵌入式linux，S3C2440，Boa Web服务器，CGI

引言

HART协议作为由模拟到数字的过渡性协议，广泛应用于工业控制的各个领域。HART智能仪表的过程参数测量、诊断、校准等的实现都需要通过专门组态软件或手操器到现场进行测量和维护，需要大量的人力和物力。随着Internet的普及和快速发展，通过网络实现数据检测和设备监控变得尤为重要，嵌入式linux继承了Linux操作系统开放性，可裁剪可定制，强大网络功能等特点，为现场设备的Web远程控制提供了桥梁。本文提出了一种经济实用的嵌入式Web远程HART仪表控制方法，采用linux嵌入式系统移植Boa服务器，运用CGI技术生成动态网页，用户只需要在室内通过Internet浏览器就能对HART现场仪表进行远程监控，PC机上不需要安装任何的组态软件，使用方便、成本低。

1 系统总体设计及原理

该远程HART仪表控制系统主要由HART智能仪表、HART通信模块、基于S3C2440的嵌入式Web服务器3部分构成，其总体设计框架如图1所示。

图1 系统总体框图

2 系统硬件平台搭建

HART通信模块采用 HT2015，HT2015支持HART协议，内部包含5个主要模块：振荡器模块、控制逻辑模块、载波检测模块、调制与发送波形整形模块、接收滤波器与解调模块。该芯片使用5 V电压和外部460.8 kHz的时钟，在半双工状态对数字逻辑信号和数字方波频率信号进行调制解调。能输出低有效的载波检测信号含19.2 kHz的时钟，不需要外部调节和偏置。

图2 HART通信模块与微处理器的硬件连接

图2为HT2015调制芯片与S3C2440处理器的连接框图，HT2015中引脚ORXD和ITXD分别和S3C2440的异步串行通信口的接收端RXD和发送端ITXD相连接。当服务器发送控制命令时，处理器通过串口发送给HT2015，进行调制和波形整形，发送到现场仪表设备。同时，电流环上的HART信号送到HT2015的滤波器进行滤波和解调为0、1数字信号，处理器接收到有效的HART通信帧后，进行命令解释，并通过Web浏览器实时显示。

嵌入式处理器选用三星的S3C2440 ARM9芯片，硬件框图如图3所示，主要包括S3C2440微处理器、网络通信模块、存储、串口通信、电源、时钟等外围电路。

图3 嵌入式硬件平台

网络部分采用DM9000网卡芯片，它可以自适应10/100M网络，RJ-45接口，只需要普通的网线即可连接至路由器或交换机，使用方便可靠。

3 系统软件设计

3.1 HART通信模块的软件设计

3.1.1 HART协议帧格式

HART的数据链路层规定了数据帧格式和数据通信规程，其通讯时是按字节接收和发送。HART帧主要被分为请求帧和响应帧两类。请求帧是由主设备发出，从设备接收，响应帧是由从设备发出，主设备接收。如图4所示。

图4 HART数据帧格式

响应码只存在于从机响应主机消息的时候，由2个字节表示，它将报告通讯中的错误、接收命令的状态（如：设备忙、无法识别命令等）和从机的操作状态。

一个十几岁的孩子，身体都没有发育好，却要和大人一样做农活，我曾经看过他割麦子的样子，戴着一个草帽，握着镰刀，一低头几乎就看不见他的人，烈日炎炎下他的动作缓慢却坚定，就像《孤独的守望者》那张插画。

3.1.2 HART通信软件

HART通信程序即HART协议数据链路层和应用层的软件实现。在HART通信中，用户通过Web服务器发送命令帧，智能变送器模块通过串行口中断接收到后，作出相应的数据处理，然后把要发回的应答帧通过MCU触发发送中断，发出应答帧，从而完成一次命令的交换。在初始化完成之后，通信系统一直处于准备接收状态，一旦服务器有命令发过来，HT2015的载波检测端口DCO变为低电平，触发中断启动接收，程序进入接收部分。然后处理接收到的数据并执行相应的操作，形成应答帧并发送出去。其软件流程如图5所示。

图5 HART通信软件流程图

3.2 嵌入式Web服务器的软件设计

该远程控制系统是构建在嵌入式Linux平台上的，为完成仪表信息的数据发布，需首先在Linux系统下安装Web服务器，Linux下的嵌入式web服务器主要有http、thttp、goAhead和Boa几种类型，其中thttp和Boa都支持认证、CGI等功能。但由于Boa源代码开放、性能好等特性，特别适合应用在嵌入式系统中，本文采用Boa作为Web服务器。

3.2.1 嵌入式Boa服务器的移植与配置

（1）首先从http：//www.boa.org/下载Boa源码，并将其加压到“/src”目录下，生成子目录boa-0. 94.13：

（5）在嵌入式linux系统的/etc目录下创建一个boa目录，并将第（3）步中生成的boa可执行文件和boa.conf拷贝到该目录。同时根据boa.conf创建日志文件目录/var/log/boa，HTML主文档存储目录/www，CGI脚本存储目录/www/cgi-bin，另外还需将PC机linux系统/etc目录下的mime.types文件复制到嵌入式linux的/etc目录下。

3.2.2 嵌入式CGI程序设计

CGI（Common Gateway Interface）规定了Web服务器调用其他可执行程序接口的协议标准。Web服务器通过调用CGI程序实现和Web浏览器的交互，根据Web浏览器的发送请求，服务器调用指定的外部可执行程序进行处理，并将响应结果再反馈给服务器，服务器再将处理结果发送到浏览器进行显示。CGI程序可以用任何程序设计语言编写，如shell脚本语言、Perl、Fortran、C语言等，但C语言编写的CGI程序具有执行速度快、安全性高等特点，本文采用C语言进行CGI的程序编写。

图6为CGI工作流程图。

图6 CGI工作流程

本文CGI程序主要包括：串口发送HART请求帧模块、串口获取HART响应帧模块和对响应帧的解析模块等，用户只需通过浏览器即可进入主页，即可实现对HART仪表进行远程监控，不需专门的组态软件。

4 测试结果

用户在浏览器输入相应的IP地址，可登录到远程控制系统主页，实验室简单效果图如图7所示。

图7 嵌入式Web控制界面部分截图

5 结 论

本文从硬件和软件两个方面分析了基于嵌入式Web的远程HART仪表监控，借助CGI技术，采用TCP/IP网络协议，实时对仪表控制信息进行显示和控制，为智能仪表和Web服务器的完美结合提供了依据。该系统的硬件资源丰富，易于移植、扩展和升级，具有很大的应用前景和推广价值。

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HART Instrument Remote Control System Based on Embedded Web

WU Zhen-zhen，NING Yong-hai
（College of Information Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China）

To solve wired HART instruments is easily influenced by poor environments and cost issues in the remote transmission，combining the application of embedded Linux system on the remote industrial control field，a HART instrument remote control system based on embedded Web is proposed. Boa server is transplanted on the embedded system with the S3C2440 processor and network chip DM9000，and the CGI technology is used to achieve dynamic web control.With this control system，HART instrument is remote monitoring through Web browser by clients indoors，and a special configuration software is not needed.

HART，embedded Linux，S3C2440，Boa Web server，CGI

TP216

A

1002-0640（2014）11-0168-03

2013-09-09

2013-11-07

吴贞贞（1989- ），女，河南漯河人，硕士生。研究方向：嵌入式技术和无线通信。